靳 晨，劉 剛，呂興東，黎航宇，楊雅子琪，鄧藝霖

（北京信息科技大學(xué)儀器與光電工程學(xué)院，北京 100192）

0 引言

仿生機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)發(fā)展分支，是當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。人們可以利用仿生機(jī)器人的靈活性和環(huán)境適應(yīng)性從事復(fù)雜或危險(xiǎn)的工作。近年來，國內(nèi)外足式仿生機(jī)器人的研發(fā)迅猛，如1992 年成立的美國波士頓動(dòng)力（Boston Dynamics）公司在四足機(jī)器人方面的研發(fā)一直領(lǐng)跑世界[1]；國內(nèi)對四足機(jī)器人的研究熱度也在持續(xù)升溫，2007 年成立的杭州宇樹（Unitree）科技有限公司，在智能機(jī)器人領(lǐng)域的研發(fā)也日新月異。由于足式運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，此類型的機(jī)器人在崎嶇不平的地面支撐、運(yùn)動(dòng)靈活，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，同時(shí)具有很強(qiáng)的平衡能力，多用于物資運(yùn)輸、警備執(zhí)勤、搶險(xiǎn)救災(zāi)及娛樂表演等，應(yīng)用發(fā)展前景廣闊。

1 四足仿生機(jī)器人快遞配送比賽規(guī)則[2]

如圖1所示，四足仿生機(jī)器人快遞配送賽開始比賽時(shí)，四足仿生機(jī)器人須放置在快遞集散區(qū)域，四腳落地并全部位于快遞集散區(qū)框線內(nèi)。由參賽隊(duì)員按照配送快遞序列順序，向參賽四足仿生機(jī)器人背筐中放置一個(gè)快遞球，并輔助四足機(jī)器人識別快遞球顏色，然后將快遞球放到四足機(jī)器人背筐里。機(jī)器人從快遞集散區(qū)出發(fā)進(jìn)行配送，沿途依次通過減速帶、上臺階、窄橋、下斜坡、草地等障礙地形，并快速通過平整地面賽段，完成快遞配送任務(wù)，并返回集散區(qū)。當(dāng)機(jī)器人四足落腳點(diǎn)完全進(jìn)入集散區(qū)域后，參賽隊(duì)員方可再次向背筐中放球，機(jī)器人進(jìn)行下一輪配送。每一輪僅配送一個(gè)快遞球。共有3 家住戶，快遞共9 個(gè)，每家住戶3 個(gè)快遞球，快遞球配送順序在賽前打亂生成。比賽時(shí)間最長為20 分鐘。9 個(gè)快遞球配送完畢、機(jī)器人返回集散區(qū)時(shí)比賽立即結(jié)束；若20 分鐘時(shí)間到快遞球未配送完畢，比賽立即結(jié)束。

圖1 比賽場地整體尺寸（單位：mm）

比賽對四足仿生機(jī)器人的要求是四足仿生機(jī)器人重量不得超過3.0 kg，四條腿豎直站立時(shí)，其體積小于長400 mm×寬240 mm×高260 mm，且腿長小于200 mm，機(jī)器人正常行走時(shí)，軀干下表面離地高度不小于100 mm（注：尺寸為去除背筐時(shí)的尺寸）。四足機(jī)器人為四足哺乳類動(dòng)物仿生腿足結(jié)構(gòu)，不得使用爬行類等動(dòng)物仿生腿足結(jié)構(gòu)。不得使用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，各關(guān)節(jié)需通過連桿或支架串聯(lián)形成腿。

圖1 為快遞配送項(xiàng)目比賽的場地，大小為6000 mm×5000 mm，在硬質(zhì)平整地面搭建，表面為黑色。賽道寬度為400 mm，由白色無紡布或者白色啞光噴繪紙鋪設(shè)（視場地情況可直接噴涂白色非反光漆）。賽道中的減速帶、臺階、窄橋、斜坡為白色密度板材或者白色木板，草地為5 mm 厚的人工草皮。場地周圍3 個(gè)住戶區(qū)域，各住戶的三面由長寬高為570 mm×300 mm×150 mm 的擋板圍成，一面開口，朝向賽道。擋板厚度為10 mm，顏色為白色。

2 硬件平臺設(shè)計(jì)[3]

四足仿生機(jī)器人的硬件平臺如圖2所示，仿生機(jī)器人本體共有五大部件： 舵機(jī)組、香蕉派開發(fā)板、運(yùn)動(dòng)控制板、CCD 攝像頭及姿態(tài)傳感器等。

圖2 四足仿生機(jī)器人硬件系統(tǒng)平臺框圖

2.1 舵機(jī)組

頭部設(shè)有一個(gè)水平方向的關(guān)節(jié)舵機(jī)，可以左右運(yùn)動(dòng)各30°角度（運(yùn)動(dòng)范圍60°）；每條腿設(shè)有三個(gè)關(guān)節(jié)舵機(jī)，最上面為上髖關(guān)節(jié)舵機(jī)，運(yùn)動(dòng)范圍100°；中間為下髖關(guān)節(jié)舵機(jī)，運(yùn)動(dòng)范圍180°；最下面為膝關(guān)節(jié)舵機(jī)，運(yùn)動(dòng)范圍150°。

四足仿生機(jī)器人的姿態(tài)是指機(jī)器人每條腿抬起、放下的規(guī)律，是確保步行機(jī)構(gòu)能夠穩(wěn)定行進(jìn)的非常關(guān)鍵的條件，姿態(tài)生成與控制的最終目標(biāo)就是設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)各條腿邁腿順序以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境[4]。

如圖3 所示，用戶可采用Action designer 應(yīng)用程序?qū)λ淖惴律鷻C(jī)器人的舵機(jī)進(jìn)行調(diào)零設(shè)置。 初次調(diào)試時(shí)，動(dòng)作列表為空，用戶可以點(diǎn)擊添加按鈕，添加動(dòng)作，點(diǎn)擊重命名來重命名動(dòng)作。當(dāng)動(dòng)作列表中有一個(gè)動(dòng)作存在時(shí)，需選定一個(gè)動(dòng)作，然后點(diǎn)擊添加按鈕，這樣就在被選動(dòng)作前添加了一個(gè)動(dòng)作。當(dāng)選中一個(gè)動(dòng)作，并點(diǎn)擊設(shè)置頁面的下載按鈕時(shí)，就可以實(shí)時(shí)地下載動(dòng)作到下位機(jī)（四足機(jī)器人）。

圖3 Action Designer軟件界面

接下來是姿勢的添加，既是本機(jī)器人調(diào)試的難點(diǎn)又是其特色。在姿勢列表中，用戶可以通過鼠標(biāo)右鍵拖動(dòng)3D 四足機(jī)器人，顯示區(qū)域中的四足機(jī)器人四肢來設(shè)計(jì)每個(gè)姿勢。在動(dòng)作姿勢列表內(nèi)，當(dāng)選定一個(gè)動(dòng)作列表中的動(dòng)作時(shí)，可以拖動(dòng)姿勢列表中的姿勢到動(dòng)作姿勢列表中，這樣就將姿勢添加到了動(dòng)作。當(dāng)設(shè)計(jì)好一個(gè)動(dòng)作時(shí)，可以拖動(dòng)該動(dòng)作到時(shí)間軸，點(diǎn)擊播放，查看動(dòng)作的連續(xù)播放演示。我們可以拖動(dòng)動(dòng)作列表中的一個(gè)動(dòng)作到時(shí)間軸，添加到時(shí)間軸上，當(dāng)點(diǎn)擊播放時(shí)，下位機(jī)與3D 四足機(jī)器人顯示區(qū)域會同步播放四足機(jī)器人的動(dòng)作(因?yàn)橄挛粰C(jī)存在一定的通信延遲，所以下位機(jī)動(dòng)作會比3D 四足機(jī)器人顯示區(qū)域的動(dòng)作稍顯延遲)。

2.2 香蕉派開發(fā)板

如圖4 所示，型號BananaPI M2，采用Allwinner A31S 作為系統(tǒng)芯片，1Ghz ARM7 四核處理 器， Allwinner A31S Cortex-A7 為 CPU，PowerVR SGX544MP2 為GPU，內(nèi)存為1GB DR3（與GPU 共享），需用5V/2A 直流電供電，目前安裝了安卓操作系統(tǒng)，可以下載應(yīng)用，可以外接擴(kuò)展模塊，開發(fā)板具有4 個(gè)USB2.0 接口、一個(gè)microUSB 接口、一個(gè)10/100/1000Mbps的有線以太網(wǎng)口、40 個(gè)GPIO 接口和一個(gè)HDMI 接口，通過HDMI 接口和USB 接口可以外接控制設(shè)備及顯示設(shè)備，從而對其進(jìn)行二次開發(fā)。

圖4 BananaPI M2開發(fā)板

2.3 運(yùn)動(dòng)控制板

STM32 運(yùn)動(dòng)控制處理板，通過TTL 串口與BPI 開發(fā)板相連，在外殼上留有RS-232 串口通信接口，根據(jù)串口通信接口文檔可以通過其他設(shè)備直接與機(jī)器人控制板通信以控制機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)指令，還可以使用上位機(jī)軟件通過串口下載編輯的動(dòng)作，并讓機(jī)器人執(zhí)行編輯的相應(yīng)動(dòng)作。

2.4 CCD攝像頭

機(jī)器人頭部有500 萬像素USB 攝像頭，從機(jī)器人內(nèi)部連接到安卓開發(fā)板，用于獲取機(jī)器人外部圖像信息。機(jī)器人通過CCD 攝像頭獲取的視覺信息進(jìn)行二值化處理，加入改進(jìn)PID 算法，使四足仿生機(jī)器人可以沿著既定軌跡前進(jìn)。

2.5 姿態(tài)傳感器

能感受物體姿態(tài)（軸線對重力坐標(biāo)系的空間位置）并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器叫做姿態(tài)傳感器[5]。連接在運(yùn)動(dòng)控制板上，通過內(nèi)嵌的低功耗ARM 處理器輸出校準(zhǔn)過的角速度、加速度、磁數(shù)據(jù)等，通過基于傳感器數(shù)據(jù)算法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測量，實(shí)時(shí)輸出三維姿態(tài)數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分所完成的主要功能包括圖像處理、循跡、顏色識別以及控制命令下發(fā)等。

主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.1 圖像處理

圖像處理部分的目標(biāo)就是將攝像頭拍攝的彩色畫面變?yōu)槎祷暮诎讏D像，以便后續(xù)圖像處理和識別。具體操作包括圖像分割、中值濾波和二值化。

3.1.1 圖像分割

在將一幀圖像讀取到程序內(nèi)部后，如圖6所示，首先要對其進(jìn)行分割，降低圖像分辨率。對高分辨率的原始圖像直接處理會浪費(fèi)大量時(shí)間和算力，所以我們使用OpenCV 中的resize 函數(shù)將圖像分辨率降低到80×60，在不影響精度的情況下可以提高程序運(yùn)行速度和效率。

圖6 圖像分割前后對比

3.1.2 中值濾波

導(dǎo)入的圖像通常會摻雜一些噪聲，每一個(gè)噪點(diǎn)都可能影響邊緣的判斷，從而影響循跡效果，因此在圖像分割后需要采用中值濾波減少噪聲。本文采用OpenCV 中的medianBlur 函數(shù)對圖像進(jìn)行中值濾波處理。中值濾波是基于排序統(tǒng)計(jì)理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號處理技術(shù)，中值濾波的基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代替，讓周圍的像素值接近真實(shí)值，從而消除孤立的噪聲點(diǎn)，濾波前后效果如圖7所示。

圖7 中值濾波前后對比

3.1.3 二值化

如圖8所示，濾波后的圖像仍是彩色，通過二值化可以篩選出特定的顏色進(jìn)行識別，OpenCV 中的inRange 函數(shù)可以將介于給定顏色范圍內(nèi)的像素值變?yōu)?55，其他像素變?yōu)?。

圖8 二值化前后對比

3.2 循跡策略

循跡算法受到攝像頭高度限制，四足仿生機(jī)器人正常站立時(shí)攝像頭距離地面高度約160 mm，賽道左右兩側(cè)不能同時(shí)掃描到，所以采取單邊循跡的方式，沿著賽道內(nèi)側(cè)或者外側(cè)循跡；由于賽道外側(cè)經(jīng)常有參賽隊(duì)員（或觀眾）流動(dòng)，會影響到仿生機(jī)器人的邊界線識別；而進(jìn)行內(nèi)側(cè)循跡可避免此類干擾，循跡效果更佳。

單邊循跡策略具體做法是將二值化后的圖像進(jìn)行逐行、逐列掃描，判斷并記錄每行邊界位置，對每行邊緣位置取均值，將該均值作為機(jī)器人距邊線的距離，通過控制其左右行走將該值控制在一定范圍即可實(shí)現(xiàn)循跡。

3.3 顏色識別

在完成循跡的同時(shí)四足仿生機(jī)器人需要通過一系列障礙地形，為住戶完成快遞配送任務(wù)；在執(zhí)行任務(wù)區(qū)域帶有特定顏色的色塊進(jìn)行輔助提示，對這些顏色進(jìn)行識別之后才能判定接下來將要執(zhí)行的任務(wù)。

如圖9所示，在圖像處理階段已經(jīng)將圖像對特定的顏色做了二值化處理，對特定顏色的二值化圖像掃描，若該顏色像素?cái)?shù)占總像素?cái)?shù)百分之三十以上就可以認(rèn)為識別到了該特定顏色，此時(shí)就可以執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。

圖9 特定顏色區(qū)域輔助提示圖

3.4 控制命令下發(fā)

四足仿生機(jī)器人的控制驅(qū)動(dòng)板采用串口通信，其內(nèi)部的簡單指令集已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、高速奔跑等動(dòng)作。也可以利用其復(fù)雜指令集準(zhǔn)確控制其各個(gè)關(guān)節(jié)的位置及運(yùn)動(dòng)速度快慢。根據(jù)上位機(jī)發(fā)送到下位機(jī)的指令包格式利用串口向驅(qū)動(dòng)板發(fā)送指令包，即可實(shí)現(xiàn)對仿生機(jī)器人動(dòng)作的控制。

4 結(jié)語

研究了四足仿生機(jī)器人的快遞配送項(xiàng)目：包括規(guī)則解讀、硬件平臺搭建、相關(guān)機(jī)器視覺的軟件設(shè)計(jì)等。著重論述了機(jī)器視覺中圖像處理、循跡策略和顏色識別等主要內(nèi)容。參加中國機(jī)器人大賽及人工智能挑戰(zhàn)賽近三年的獲獎(jiǎng)成績（見表1），驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的四足仿生機(jī)器人具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

表1 近三年四足仿生機(jī)器人參賽獲獎(jiǎng)表